波波束形成是一種利用一系列傳感器實現(xiàn)方向性、提高發(fā)送信號強度以及提升接收信號質(zhì)量的信號處理技術(shù)。通信、雷達(dá)、對抗措施、武器系統(tǒng)、石油與礦產(chǎn)勘探、醫(yī)療成像及測向等領(lǐng)域均廣泛使用了波束形成技術(shù)。
在測向應(yīng)用中，我們通過控制波束形成天線來定位信號源的到達(dá)角。我們可以使用兩組或兩組以上的天線陣列來三角定位信號源的確切位置，這對于大量信號情報及反恐怖行動而言是必不可少的。這項技術(shù)的準(zhǔn)確度取決于各波束形成通道之間增益和相位的精確設(shè)置。我們通過采用帶有本地定制IP 的賽靈思Virtex-6 FPGA 構(gòu)建的Pentek 產(chǎn)品來實現(xiàn)精細(xì)調(diào)節(jié)，從而達(dá)到提升系統(tǒng)性能和準(zhǔn)確度的目的。
波束形成原理
我們通常使用一系列傳感器或天線實現(xiàn)的波束形成技術(shù)來提升特定方向上的接收性能（如圖1 所示的手機某方向的接收性能）。來自信號源的信號根據(jù)信號源與天線之間的距離依次到達(dá)每根天線，這樣天線信號之間就會有相對的相位及振幅偏移。
在波束形成過程中調(diào)節(jié)每個天線信號的增益和相位，可補償信號路徑上的不同延遲。調(diào)節(jié)方式就是將來自每根天線的信號與來自某個特定方向的信號同步。當(dāng)信號相加時，來自其它方向的非定向信號就會相互抵消，而來自波束形成方向的信號則會進行有益的累加，從而顯著提升信噪比。在這種調(diào)節(jié)方法中，通過采用電子方式調(diào)節(jié)每條路徑上的增益和相位，我們有效地將天線轉(zhuǎn)向信號源的方向。
八通道系統(tǒng)
在這個系統(tǒng)中，我們按線性陣列布置了8 根天線，如圖2 中的整體方框圖所示。這里的天線頻率為2.5GHz，所以每個天線信號都需要先進行放大、濾波，然后通過降頻轉(zhuǎn)換為中頻（IF），這樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器才能以合適的采樣頻率完成信號的數(shù)字化。為保持波束形成的固定相位關(guān)系，所有8 個通道均必須采用同步采樣。
隨后我們在數(shù)字下變頻器（DDC）中將從每個模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號采樣降頻轉(zhuǎn)換為基帶的復(fù)雜I+Q 信號，其中也涉及了針對波束形成“權(quán)重”的特定通道相位及增益調(diào)節(jié)。最后我們在總和模塊中將所有八個基帶信號相加，可生成波束形成總和信號。CPU 分析該總和信號，并對相位及增益系數(shù)進行調(diào)節(jié)，從而跟蹤或適應(yīng)新的目標(biāo)。
FPGA 能夠訪問開發(fā)板上所有數(shù)據(jù)及控制路徑，支持諸如數(shù)據(jù)多路復(fù)用、通道選擇、數(shù)據(jù)打包、門控、觸發(fā)及存儲器控制等工廠預(yù)裝功能。其中的每種功能均以IP 模塊形式存在。
PENTEK 模型53661 波束形成板
Pentek 模型53661 軟件無線電板是一種3U OpenVPX Cobalt 開發(fā)板，如圖3 的簡化方框圖所示。它采用了4 個200MHz 的16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，一個時序、時鐘同步單元以及賽靈思Virtex-6FPGA。
FPGA 能夠訪問開發(fā)板上所有數(shù)及控制路徑，支持諸如數(shù)據(jù)多路復(fù)用、通道選擇、數(shù)據(jù)打包、門控、觸發(fā)及存儲器控制等工廠預(yù)裝功能。Cobalt 架構(gòu)將FPGA 構(gòu)建成某種適用于數(shù)據(jù)處理應(yīng)用的容器，其中的每種功能均以IP 模塊形式存在。
我們可以使用LX240T、LX365T、SX315T 及SX475T 等各種不同的FPGA 來實現(xiàn)處理任務(wù)的特定要求。SXT 器件擁有多達(dá)2,016 個DSP48Eslice，理想適用于發(fā)送與接收之間信號的調(diào)制/ 解調(diào)制、編碼/ 解碼、加密/ 解密及通道化。
FPGA 在工廠預(yù)裝有4 個DDC IP核，每個核均能夠從4 個模數(shù)轉(zhuǎn)換器的任何一個中接收模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣。每個DDC 的抽取范圍是2K-64K，能夠提供2.5KHz-80MHz 的下變頻基帶帶寬。每個DDC 均具有可編程增益和相移控制功能，能夠跨整個VPX 背板訪問處理器。在本系統(tǒng)中我們將為每個DDC 分配一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
每個DDC 輸出處均有一個用于計算下變頻信號功率的功率計。每款功率計都配備一個閾值檢測器，以便在輸出功率超過上限閾值或低于下限閾值的時候生成系統(tǒng)中斷。這些功能可顯著簡化增益校準(zhǔn)及信號監(jiān)測工作，從而解決了系統(tǒng)處理器只能在軟件中才能完成的難題。
此外，53661 FPGA 還包含一個本地Aurora 總和模塊，可將四個DDC 輸出加在一起，實現(xiàn)波束形成所需的通道組合。Aurora 是一種面向賽靈思FPGA 的輕量級鏈路層的千兆位串行協(xié)議。在這個開發(fā)板上，Aurora 接口通過4 個串行鏈路（4X）在一個輸入端口上接收傳輸來的總和，并在4X 輸出端口上交付包含4 個板載通道內(nèi)容的新的傳輸總和。每個4X 鏈路運行在3.125Gbps 的時鐘比特率上，數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)1.25GBps。
一個串行時鐘速率為2.5Gbps 運行的本地PCIe x4 接口IP 為面向DDC 及波束形成參數(shù)編程的控制處理器提供了一個1GBps 速率的鏈路。此外， 該PCIe 鏈路還為交付4 個DDC 輸出和波束形成總和輸出提供支持。
可編程千兆位串行交叉開關(guān)將兩個4X Aurora 總和鏈路與x4 PCIe 鏈路連接到VPX P1 背板連接器上。這種交叉開關(guān)具有高度的靈活性，能夠讓53661運行在各種OpenVPX 背板拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及插槽配置下。在本系統(tǒng)中， 我們將Aurora 鏈路映射到OpenVPX 擴展平面上。同樣我們還可將PCIe 接口映射到發(fā)揮控制平面作用的OpenVPX 數(shù)據(jù)平面上。
八通道 3U OPENVPX 波束形成系統(tǒng)
如圖4 所示為完整的八通道OpenVPX波束形成系統(tǒng)。兩塊模型53661 開發(fā)板安裝在OpenVPX 背板的插槽1 和插槽2，CPU 開發(fā)板則安裝在插槽3。8 個適用于接收2.5GHz 信號的偶極天線為包含低噪聲放大器、本地振蕩器和混頻器等在內(nèi)的射頻調(diào)諧器反饋信號。射頻調(diào)諧器將2.5GHz 天線頻率信號轉(zhuǎn)變降為50MHz 的IF。
200MHz 16 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)數(shù)字化IF 信號，執(zhí)行進一步降頻轉(zhuǎn)換為基帶的工作，使用的DDCS 抽取為128。這樣可提供I+Q 復(fù)雜輸出樣片，帶寬大約是1.25MHz。每個通道的相位和增益系數(shù)用于控制陣列的方向性。
VPX 插槽3 中的CPU 開發(fā)板通過兩個x4 PCIe 鏈路，又稱OpenVPX“粗管”跨越背板發(fā)送命令和系數(shù)。
我們在VPX 插槽1 中的53661 開發(fā)板的左上部分處理前4 個信號通道，然后這4 個通道的波束形成求和值通過4X Aurora 求和輸出鏈路跨越背板傳輸?shù)讲宀? 中的第二個53661 開發(fā)板的4X Aurora 求和輸入端口。然后將第二個53661 開發(fā)板的四通道本地總和與第一塊開發(fā)板傳輸來的總和再相加，就可得到完整的八通道總和。這個總和經(jīng)由x4 PCIe 鏈路發(fā)送到插槽3 的CPU 卡。
模型53661 開發(fā)板上的3 個OpenVPX 4x 鏈路（OpenVPX 粗管）的分配通過使用前一方框圖中的交叉開關(guān)進行簡化。這樣53661 就可以搭配各種不同的背板運行。由于OpenVPX 不約束跨背板鏈路的串行協(xié)議的使用，系統(tǒng)支持的混合協(xié)議架構(gòu)如圖所示。
波束形成演示系統(tǒng)
Pentek 的工程師已經(jīng)建立起一個八通道波束形成演示系統(tǒng)， 配備了一款在Windows 下CPU 開發(fā)板上運行的控制面板。自動信號掃描儀可檢測來自測試發(fā)射器的最強信號頻率。該頻率的中心是射頻下變頻器的50MHz IF 頻率。一旦發(fā)現(xiàn)該頻率，8 個DDC 就會進行相應(yīng)的設(shè)置，將該信號降為0Hz，以便于求和。此外，控制面板軟件還可實現(xiàn)8 個通道所有參數(shù)的特定硬件設(shè)置，包括增益、相位和同步延遲等。
另外一部顯示器顯示陣列的波束形成模式。通過調(diào)整8 個通道的相移，最大限度地提高與陣列平面垂直的-90°～ +90°整個到達(dá)角范圍內(nèi)的靈敏度，從而形成顯示內(nèi)容。
將理想八元件陣列在信號到達(dá)角為0°（直接來自陣列正前方）時的理論七波瓣圖與實際坐標(biāo)圖進行比較。波瓣圖下方是極坐標(biāo)圖，顯示的是指向計算到達(dá)角的單個矢量。這個矢量是通過確定具有最大響應(yīng)的波瓣而得到的。
此外還顯示了布置在顯示器正前方，作為信號源的現(xiàn)實發(fā)送器的實際坐標(biāo)圖。在這種情況下，理想的波瓣圖受到物理對象、反射、線纜長度變化和天線細(xì)微差別的影響。不管怎樣，定向信息的計算比較理想。隨著信號源在陣列前的左右移動，峰值波瓣也隨之移動，從而改變計算出的到達(dá)角。
該演示系統(tǒng)現(xiàn)已通過Pentek 在線提供。如果讀者希望觀看現(xiàn)場演示，敬請訪問 http://pentek.com/go/xcellbf 。